Датчики систем автоматизации

УДК 681.586.8 (076.5)(075.8) ББК 32.96-04я7

Д20

Составители:

Г. Н. Здор, Ю. Е. Лившиц

Рецензенты:

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Материаловедение и проектированиетехнологическихсистем» БГТУ

Д. В. Куис;

кандидат технических наук, заведующий кафедрой «Автоматизированные системы управления производством» БГАТУ

А. Г. Сеньков

Датчики систем автоматизации : лабораторный практикум для Д20 студентов специальности 1-53 01 06 «Промышленные роботы и робототехнические комплексы» / сост. : Г. Н. Здор, Ю. Е. Лившиц. –

Минск : БНТУ, 2019. – 178 с. ISBN 978-985-583-017-8.

Излагаются принципы работы датчиков, систем и устройств, широко используемых при автоматизации с применением промышленных роботов и робототехнических комплексов в различных отраслях промышленности.

Выполнение лабораторных работ позволяет закрепить теоретические знания

и освоить на практике навыки по использованию, настройке, обработке информации

синдуктивных, емкостных, лазерных, тензометрических, контактных датчиков и систем технического зрения, цифроаналоговых преобразователей.

2

МЕРЫ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Перед началом выполнения лабораторных работ необходимо убедиться, что ручки измерительных приборов находятся в нужных для работы положениях.

Выполняя лабораторную работу, четко следуйте методике ее выполнения.

При выполнении лабораторной работы:

соблюдайте правила включения и выключения вычислительной техники;

не подключайте кабели, разъемы и другую аппаратуру к компьютерам, не относящимся к лабораторной установке;

при включенном напряжении сети не отключайте и не подключайте кабели, соединяющие различные устройства лабораторных установок;

в случае возникновения неисправности в работе оборудования отключите лабораторную установку и сообщить преподавателю;

не пытайтесь самостоятельно устранить неисправности в работе аппаратуры;

по окончании работы выключите аппарату, сообщите об этом преподавателю и приведите в порядок рабочее место.

3

Лабораторная работа № 1

СВЕТОВАЯ ЗАВЕСА БЕЗОПАСНОСТИ РОБОТОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Цели работы

1.Изучить принципы работы устройств и комплексов обеспечения безопасности в рабочих зонах автоматизированных систем, построенных на базе оптических датчиков.

2.Экспериментально исследовать характеристики и режимы работы световой завесы безопасности типа AS1.

3.В соответствии с характеристиками определить оптимальное назначение световой завесы.

Теоретические сведения

Сейчас существуют различные автоматизированные системы и робототехнические комплексы, ход работы которых небезопасен для человека. В связи с этим возникает проблема обеспечения безопасности работников при нахождении его в среде автоматизированных систем, а также защиты этих систем от попадания посторонних объектов. Эту задачу решают промышленные датчики и системы безопасности.

Обеспечение зоны безопасности на производстве

Современная система стандартов безопасности труда и требования безопасности, относящаяся к оборудованию, предусматривает применение предохранительных устройств, включающих активные оптоэлектронные защитные приборы. К таким приборам относятся световые завесы (фотобарьеры) и лазерные сканеры безопасности производства компании ReeR S.p.a. (Италия).

С помощью оптоэлектронных приборов, соответствующих преобразователей сигналов, интерфейсных блоков и соединительных элементов могут быть построены различные системы безопасности для решения многих задач защиты. Оптоэлектронные устройства, интегрированные в систему управления, создают зоны контроля,

4

способные обнаружить появление человека в этих зонах и произвести надежное отключение оборудования.

Эффективность защиты зависит, главным образом, от расположения световой завесы по отношению к опасному объекту.

Фотобарьер должен быть расположен на расстоянии большем или равном минимальному расстоянию безопасности (S) так, чтобы при достижении оператором опасного места движение механизмов было гарантированно остановлено (рис. 1.1).

Рис. 1.1. а – односторонняя защита; б – трехсторонняя защита

Световая завеса должна быть расположена так, чтобы исключить возможность достижения опасной точки без пересечения пространства, контролируемого световой завесой, и чтобы человек не смог находиться в опасной зоне, не будучи обнаруженным. В этой связи, возможно, понадобятся дополнительные защитные устройства (например, фотобарьеры, расположенные горизонтально).

Основная формула для расчета безопасного расстояния

S = K (t1 + t2) + C,

где S – минимальное расстояние безопасности (мм);

K – скорость достижения оператором опасной зоны (в большинстве случаев 1600 мм/сек);

t1 – общее время срабатывания световой завесы (им можно пренебречь, если оно порядка миллисекунд);

5

t2 – время, необходимое для остановки опасного движения станка с момента получения сигнала об остановке (в среднем от трех до пяти секунд);

C – дополнительное расстояние, учитывающее возможность проникновения части тела в защищенную область перед тем, как быть обнаруженным (мм).

В этом случае если d (разрешение световой завесы равное hпр.ср.,

как на рис. 1.2) 40 мм, то С = 8(d – 14) мм;

если d > 40 мм, то С = 850 мм.

Разрешение световой завесы – это минимальный размер объекта, гарантированно прерывающий хотя бы один луч.

Для завес, имеющих горизонтальное расположение,

С = 1200 – (0,4 H) мм, где H – высота установки завесы, мм. Если существует возможность достижения опасной точки через

верхний край защищенной области, как показано на рис. 1.2, то расстояние С берется из табл. 1.1.

Рис. 1.2. Схема обозначения расстояний:

а – высота опасной зоны (мм); b – высота верхнего края световой завесы (мм); S – минимальное расстояние безопасности (мм); C – дополнительное расстояние с возможностью проникновения части тела в защищенную область (мм)

6

Расстояние K T учитывает инерционность движущейся части опасного для оператора объекта, где K – скорость движущейся части, Т – время останова движущейся части.

Таблица 1.1

Значения альтернативного расстояния С

Если расстояния a, b и С попадают между табличных величин, нужно использовать наибольшую

Общие сведения об оптических датчиках безопасности

Датчики являются элементом технических систем, предназначенных для измерения, сигнализации, регулирования, управления устройствами или процессами. Датчики преобразуют контролируемую величину (давление, температура, расход, концентрация, частота, скорость, перемещение, напряжение, электрический ток и т. п.) в сигнал (электрический, оптический, пневматический), удобный для измерения, передачи, преобразования, хранения и регистрации информации о состоянии объекта измерений.

По виду выходных величин оптические датчики подразделяются на активные (генераторные, обычно имеющие дополнительное пи-

7

тание) и пассивные (параметрические, которые не нуждаются в дополнительном источнике энергии).

По характеру выходного сигнала оптические датчики бывают

дискретные (выдают строго определенные уровни напряжения, в которые переходят при изменении внешнего воздействия), аналоговые (выдают аналоговый сигнал), цифровые (выдают цифровой сигнал) и импульсные (выдают импульсный сигнал на выход либо за определенный промежуток времени, либо по прохождении определенного минимального расстояния, называемого дискретностью датчика).

По среде передачи сигналов оптические датчики делятся на про-

водные и беспроводные.

По технологии изготовления оптические датчики классифицируются на элементные (сейчас не выпускаются) и интегральные (на интегральных схемах).

Оптические датчики – небольшие по размерам электронные устройства, способные под воздействием светового излучения в видимом, инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах подавать единичный сигнал или их совокупность на вход регистрирующей или управляющей системы. Оптические датчики реагируют на непрозрачные и полупрозрачные предметы, водяной пар, дым, аэрозоли.

Оптические датчики – это разновидность бесконтактных датчиков, так как механический контакт между чувствительной областью датчика (сенсором) и воздействующим объектом отсутствует. Такое свойство оптических датчиков обусловливает их широкое применение в автоматических системах управления. Дальность действия оптических датчиков намного больше, чем у других типов бесконтактных датчиков.

Оптические датчики называют еще оптическими бесконтактными выключателями, фотодатчиками, фотоэлектрическими датчиками.

Разновидности оптических датчиков безопасности

В связи с существующими типами производства и необходимостью его высокой гибкости изготавливают датчики различных типов.

Примеры некоторых из них, выпускаемых компанией ReeR S.p.a. (Италия), показаны на рис. 1.3.

8

Рис. 1.3. Типы некоторых световых датчиков безопасности

На рис. 1.3, а – S15 series. Для них характерны небольшие корпуса (всего 40 мм в высоту), отсутствие регулировки чувствительности подстроечным элементом, механическая защита (амортизирующие крепления, герметичность корпуса). Благодаря механической защите эти датчики могут быть установлены в самых ответственных местах с неблагоприятными условиями окружающей среды.

На рис. 1.3, б – S8 series (расширенная линейка миниатюрных оптических датчиков). У этих датчиков компактные размеры

(14 42 25 мм), частота коммутации 10 kHz (поддерживает 10 тысяч срабатываний в секунду), максимально сфокусированный луч (лазерная версия), очень высокое разрешение.

На рис. 1.3, в – LD50 series (линейка люминесцентных датчиков). Особенности этой серии датчиков заключаются в том, что у них высокая мощность ультрафиолетовых (УФ) светодиодов, частота коммутации 2 kHz. LD50 обычно используются в фармацевтической и косметической промышленности для обнаружения этикетки на бутылке, в автоматической упаковке – для обнаружения белой бумаги или люминесцентного клея.

На рис. 1.3, г – DS1 series (измерительные световые завесы с аналоговым выходом). Характеристики датчиков позволяют определять размер и положение объектов, разрешение 4 мм, время отклика 1 мс (время появления сигнала на выходе датчика от момента прерывания световых лучей завесы), от 100 до 300 мм высота контроля, рабочее расстояние до 4 м, p-n-p цифровые выходы и 0-10В аналоговые. Малое время отклика от 1 до менее 3 мс (в зависимости от высоты и разрешения) позволяет использовать датчик на быстродействующих машинах. Измеренный сигнал подается через аналоговый выход 0-10В, уровень которого пропорционален количеству прерванных лучей.

9

На рис. 1.3, д – SG2 series (световые завесы безопасности). Особенности этих датчиков в том, что у них разрешение 30, 50 и 90 мм, рабочее расстояние до19 м, контролируемая высотаот 150 до 1800 мм.

Некоторые модификации датчиков имеют функции приглушения и бланкирования.

Функция приглушения предназначена для автоматического отключения функции безопасности световой завесы в определенные стадии машинного цикла. Приглушение может быть только при условии безопасности.

Предусмотрено два их случая:

1)разрешение доступа персонала внутрь опасной зоны во время неопасной части машинного цикла, когда оператору необходимо произвести загрузку-выгрузку заготовки;

2)разрешение прохождения материалов и запрет доступа персонала, когда, например, световая завеса безопасности включает в набор датчики приглушения, способныеразличать персонал и материалы.

Функция «бланкирования» – это вспомогательная функция световых завес безопасности, которая разрешает нахождение непрозрачного объекта внутри части защищенной области, не вызывая остановки машины. Бланкирование работает в соответствии с конфигурируемой операционной логикой, и оно возможно только при соблюдении условий безопасности.

Благодаря этой функции можно сохранять выходы световой завесы в активном состоянии и не прерывать работу машины при пересечении установленного числа лучей внутри защищенной области.

Бланкирование может быть фиксированным и плавающим. Во время фиксированного бланкирования занимается фиксированный участок защищенной области при нормальной работе всех остальных лучей. А плавающее бланкирование позволяет движение объекта внутри защищенной области с пересечением определенного количества лучей при условии, что пересекаемые лучи смежные и их число не превышает установленного значения (в лабораторной работе функции бланкирования и приглушения отсутствуют).

Общий принцип работы датчиков безопасности

По принципу работы выделяют три группы оптических датчиков безопасности:

10